Tektronix RSA306 : un analyseur de signaux haute

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Tektronix RSA306 : un analyseur de signaux haute
performance compact
Publication: 30 janvier
Le RSA306 Tektronix est un analyseur de spectre de faible puissance, compact, conçu pour la
portabilité...
Il peut être utilisé avec les ordinateurs portables et les
tablettes PC équipés d’une connexion USB 3.0 ; connexion qui assure l’intégralité de son
alimentation (moins de 4,5 W). Le traitement, l’affichage et le stockage des données sont
gérés sur le PC ; ce qui en fait un analyseur de spectre portable et de petite taille.. Néanmoins,
les contraintes de taille et de puissance ont un impact sur les performances RF possibles. Cet
article porte sur les compromis nécessaires pour produire un analyseur de spectre polyvalent
dans un très petit format (environ 1" x 5" x 7,5"), tout en conservant une grande partie des
performances et de la facilité d’utilisation des instruments beaucoup plus grands.
Spécifications de l’instrument
Le RSA306 est un analyseur de spectre temps réel, ce qui signifie qu’il acquiert des
échantillons avec un numériseur rapide et met à jour les spectres en continu dans la bande
passante d’acquisition temps réel via une transformée de Fourier.. Les spécifications de base
du RSA306 sont présentées dans le tableau ci-dessous (les spécifications complètes de
l’appareil peuvent être trouvées à l’adresse http://www.tektronix.com/spectrum-a...).
Plage de fréquences : 9 kHz - 6,2 GHz
Bande passante d’acquisition : 40 MHz
Plage de puissances de mesure : +20 dBm à -160 dBm
Plage dynamique sans parasite : -50 DBc
Précision d’amplitude : ± 2,0 dB
Durée minimum du signal : 100 microsecondes
Plage de température de fonctionnement : -10° C à +55° C
Poids : 1,3 livres
Le niveau moyen de bruit affiché (DANL) et le bruit de phase pour différents intervalles de
fréquences d’une porteuse de 1GHz peuvent être trouvés dans le tableau ci-dessous. Le bruit
de fond du RSA306 est très bon et est comparable à celui d’un instrument de laboratoire
autonome tel que le Tektronix RSA5106B. Un instrument de laboratoire de milieu de gamme
tel que le RSA5106B, a une plage dynamique sans parasite et un bruit de phase d’environ 25
dB meilleurs que le RSA306. Certains des compromis de conception de la chaine RF du
RSA306 seront abordés dans le paragraphe ci-dessous.
Performances RF
Niveau de bruit moyen affiché à la fréquence centrale spécifiée (dBm/Hz), typique
100 kHz/ -133
10 MHz/ -163
1 GHz/ -161
3 GHz/ -158
6,2 GHz/ -153
Bruit de phase à 1 Ghz aux fréquences « offset » spécifiées (dBc/Hz), typique
1 kHz/ -88
10 kHz/ -87
100 kHz/ -92
1 MHz/ -120
Architecture de l’instrument
Le changement le plus frappant dans l’architecture de cet instrument par rapport à un
analyseur temps réel classique réside probablement dans l’architecture de la chaine de
traitement numérique du signal. Dans un analyseur de spectre temps réel classique, les
données sont converties en fréquence numériquement et introduites dans la mémoire
d’acquisition du matériel. Dans le RSA306, les données brutes sont transmises à l’ordinateur à
travers l’interface USB 3.0, et tout le traitement numérique est réalisé dans un logiciel sur le
PC (Figure 1). La conversion en fréquence numérique des données I-Q, le filtrage, les
transformées de Fourier, la correction de canal et les calculs d’affichage DPX, sont tous
réalisés dans le logiciel. Cela nécessite l’utilisation d’un processeur moderne (Intel i7 quadcore ou équivalent) pour que le traitement logiciel puisse prendre en charge le débit élevé de
224 Mo/s de l’instrument.
La connexion USB 3.0 SuperSpeed a un débit de transfert de 5 Go/s dans chaque direction.
Etant donné qu’USB 3.0 utilise le codage 8B/10B, le débit de données est limité à 4,0 Go/s, et
lorsque des paquets protocolaires (préambule, acquittement, etc.) sont inclus, le débit de
données réel est plutôt de 3,2 Go/s. Le numériseur 14 bits du RSA306 échantillonne le signal
IF à 112 MHz, générant un flux de données de 224 Mo/s puisque chaque échantillon de
données est codé dans un mot de 16 bits.
Une autre surcharge de 0,2% est ajoutée aux données pour l’horodatage et les informations de
déclenchement, ce qui donne un débit total des informations de 1,8 Go/s. Bien que cela soit
bien dans les limites de 3,2 Gb/s du débit pratique de l’interface USB 3.0, le caractère
sporadique des transferts sous Microsoft Windows OS pourrait encore s’avérer
problématique. Heureusement, la puce d’interface USB 3.0 Cypress FX3 a des tampons de
mémoires de données pour conditionner le flux. Un ensemble de quatre tampons de mémoire
ont été mis en place avec la même longueur que la longueur du protocole de trame de notre
dispositif. Les tampons sont utilisés en mode round-robin pour transmettre les données. Dans
la pratique, nous constatons qu’avec un processeur rapide, nous ne perdons pas de trames, que
ce soit sous Windows 7 ou 8, à moins qu’une bande passante de processeur substantielle soit
reprise par des processus indépendants.
Le logiciel qui s’exécute sur le PC contrôle tous les aspects du fonctionnement du RSA306.
Le logiciel est divisé en deux parties : l’API RSA306 et SignalVu-PC. SignalVu-PC est un
interface utilisateur qui s’exécute sur plusieurs plates-formes (analyseurs de spectre et
oscilloscopes) et présente des écrans de commande et de données au même format sur tous les
dispositifs. Le logiciel peut également être utilisé de manière autonome sans aucune plateforme matérielle pour lire et analyser les données capturées. Le logiciel de l’API RSA306 est
une couche d’adaptation matérielle qui traduit les commandes de contrôle émises par
SignalVu-PC en commandes de matériel spécifiques à cet analyseur de spectre. La liste des
commandes de l’API est publique et peut être utilisée par les programmeurs afin d’écrire leur
propre logiciel de commande et d’affichage pour le RSA306.
Des écrans de données multiples peuvent être traités et visualisés simultanément sous
SignalVu-PC. Les écrans proposés par le logiciel de base comprennent un spectre de
fréquence, un spectrogramme de fréquence (défilement du tracé de l’intensité spectrale en
fonction du temps), aperçu du temps, amplitude en fonction du temps, fréquence en fonction
du temps, I et Q en fonction du temps, affichage de modulation analogique (AM/FM/PM) et
affichage de spectre/spectrogramme DPX. Le DPX est un affichage de densité à persistance
variable utilisant des codes couleurs. Il montre la coexistence des signaux dans une bande de
fréquence donnée. L’opération la plus consommatrice de processeur en cours d’exécution
dans le logiciel pendant le fonctionnement normal est la construction de l’affichage des
données de DPX, mais l’optimisation du code permet des mises à jour de l’écran en temps
réel à 24 trames par seconde.
Mesures incluses dans la version de base de
SignalVu-PC
Analyseur de spectre : S’étend de 100 Hz à 6,2 GHz, 3 traces + expressions mathématiques
et trace de spectrogramme, 5 marqueurs avec puissance, puissance relative, puissance
intégrée, densité de puissance et fonctions dBc/Hz
Spectre/spectrogramme DPX :Affichage temps réel du spectre avec 100% de probabilité
d’interception de signaux de 100 microsecondes jusqu’à 40 MHz
Amplitude, fréquence, phase en fonction du temps : Fonctions d’analyse de vecteur de base
RF I et Q en fonction du temps
Aperçu/navigateur du temps : Permet un réglage facile des temps d’acquisition et d’analyse
pour une analyse approfondie dans des domaines multiples
Spectrogramme :Analyse et ré analyse des signaux dans un affichage en cascade 2D ou 3D
Ecoute AM/FM : Entend et enregistre dans un fichier les signaux FM et AM
Analyse AM, FM, PM : Mesure les principaux paramètres AM, FM, PM
Mesure parasite : Les lignes et régions limites définies par l’utilisateur permettent de tester
automatiquement les violations de spectre à travers toute la plage de l’instrument
Masque d’émission de spectre : Masques définis par l’utilisateur ou spécifiques aux normes
Bande passante occupée : Mesure la bande occupée par 99% de la puissance, délimitation
des points -xdB
Puissance de canal et ACLR : Paramètres des canaux variables et des canaux
adjacents/alternatifs
MCPR : Mesures sophistiquées et flexibles de la puissance multicanaux
CCDF : La fonction de distribution cumulative complémentaire trace les variations
statistiques du niveau de signal
Des écrans supplémentaires sont disponibles pour la mesure des propriétés de certains types
de signaux. Ces écrans sont disponibles en tant qu’options logicielles pour les écrans de base.
L’analyse de modulation numérique comprend les outils suivants : diagramme de
constellation (27 types de modulation pris en charge, y compris QAM, QPSK, GMSK, FSK,
APSK), I et Q démodulés en fonction du temps, EVM (magnitude du vecteur d’erreur) en
fonction du temps, écart de fréquence en fonction du temps, erreur de magnitude en fonction
du temps, erreur de phase en fonction du temps, qualité du signal, tableau des symboles
décodés et diagramme en treillis.
Les outils de mesure sur les signaux pulsés RF sont l’affichage de traces d’impulsions, les
statistiques d’impulsions et un tableau de caractérisation des impulsions. Les outils d’analyse
OFDM sont les suivants : réponse du canal OFDM, diagramme de constellation OFDM,
mesures EVM OFDM, planéité spectrale OFDM, erreur de magnitude OFDM, erreur de phase
OFDM, puissance OFDM, synthèse de qualité du signal OFDM et un tableau des symboles
OFDM décodés.
Des outils d’analyse WLAN (WiFi) sont disponibles pour les normes 802.11a/b/g/j/n/p/ac. Ce
sont notamment les outils suivants : mesures de masque d’émission de spectre, réponse de
canal WLAN, constellation WLAN, EVM WLAN, planéité spectrale WLAN, erreur de
magnitude WLAN, erreur de phase WLAN, puissance WLAN en fonction du temps, synthèse
de qualité du signal WLAN et tableau des symboles WLAN décodés.
Les mesures radio P25 de sécurité publique se composent de mesures MCPR (rapport de
puissance porteuse multiple), diagramme de constellation P25, diagramme de l’œil P25, écart
de fréquence P25 en fonction du temps, puissance P25 en fonction du temps, synthèse de
qualité du signal P25 et tableau des symboles P25 décodés. Enfin, les outils d’analyse audio
comprennent l’affichage du spectre audio, la démodulation audio en direct et une synthèse
des mesures audio.
Un logiciel de cartographie est également disponible pour l’affichage et l’enregistrement de
la localisation du signal si l’ordinateur de commande comporte un récepteur GPS. Ce code
est disponible pour toute plate-forme capable d’exécuter SignalVu-PC.
Le logiciel SignalVu disponible pour l’analyseur RSA306 a également la capacité d’agir en
tant qu’enregistreur de signal de bande passante 40 MHz. Si le disque du PC de contrôle est
suffisamment rapide (un disque dur électronique capable d’une vitesse d’écriture de 300 Mo/s
est nécessaire), les données peuvent être enregistrées sur le disque sans lacunes et seule la
capacité du disque peut limiter la longueur de capture. Les données peuvent être stockées en
un seul fichier ou en plusieurs fichiers de longueur égale pour un traitement ultérieur. Le
logiciel Matlab permet d’ouvrir les fichiers de données pour traitement par l’utilisateur, et
des corrections pour la linéarité peuvent être appliquées.
Conception pour fonctionnement à faible puissance
L’analyseur de spectre RSA306 a été conçu dès le départ pour être un dispositif de puissance
compact, faiblement consommateur de puissance, qui pourrait fonctionner uniquement à
partir de l’énergie fournie via une interface USB 3.0. Ces contraintes sont strictes : le
dispositif rattaché par USB n’est autorisé à consommer que 100 mA de courant lors de la
connexion, et peut consommer un maximum de 900 mA après négociation à la tension fournie
par l’interface USB 3.0s (qui peut être aussi basse que 4,5 V après les pertes de câbles).
Ainsi, le dispositif doit fonctionner à environ 4 W d’alimentation sur toute la plage des
températures de fonctionnement, qui va de -10 ° à +55° C pour le RSA306. Etant donné que
le courant de fonctionnement du RSA306 augmente avec la température, le fonctionnement à
température ambiante doit être déclassé d’environ 30 mA pour rester dans les limites des
exigences de fonctionnement d’USB 3.0. En comparaison, un analyseur de spectre de bureau
consomme généralement 100 à 400 W de puissance.
La partie numérique de la conception du RSA306 (ADC, FPGA, USB3 I/F, source d’horloge)
consomme environ 0,75 W de puissance, y compris les pertes dans les alimentations à
découpage. Le reste de la conception comprenant la chaîne de signal RF consomme environ
3,1 W de puissance. La chaîne de signal RF (Figure 2) est composée d’un atténuateur
d’entrée commutable, d’un préamplificateur commutable, d’un atténuateur à pas fin et d’un
étage de gain commutable supplémentaire (configuré automatiquement en fonction du
réglage du niveau de référence pour réduire le bruit et la distorsion), suivi par l’un des sept
pré-filtres analogiques qui est sélectionné en fonction de la fréquence d’entrée RF. Le signal
entre ensuite dans le premier mélangeur où il est converti en l’une des deux fréquences IF,
1190 MHz ou 2440 MHz, la fréquence étant choisie automatiquement pour minimiser les
signaux parasites. Après filtrage et amplification, le signal passe dans un deuxième
mélangeur où il est abaissé en fréquence en deuxième fréquence IF de 140 MHz. La
fréquence IF est amplifiée et ensuite filtrée avec un filtre à ondes acoustiques de bande
passante de 42 MHz, suivi d’un filtre LC de septième ordre avant d’être envoyé au
numériseur.
Le trajet du signal RF s’appuie fortement sur la linéarité des composants pour éviter la
génération de parasites pendant l’amplification et le mélange. Les composants ont été
soigneusement sélectionnés pour assurer une bonne linéarité et un faible niveau de bruit tout
en fonctionnant à faible puissance. Le filtrage visant à éliminer les parasites indésirables
(harmoniques et produits de mélange entre le signal d’entrée, les oscillateurs locaux et les
horloges) permet la spécification d’une plage dynamique sans parasite (SFDR) d’environ -50
dBc sur la plage d’entrée de signal RF. Pour obtenir une conception portable à faible coût,
une seule carte de circuit imprimée, dotée de boucliers miniatures et d’un boîtier en extrudé
d’une seule pièce, ont été utilisés. À de nombreuses fréquences le SFDR atteint l’objectif de
conception de -65 dBc ; Cependant, l’isolation RF possible entre les sous-circuits est la
principale limitation des parasites.
Un autre choix critique de composants dans la conception a porté sur les filtres utilisés dans
les sections IF. Les filtres SAW à faible coût, dotés de larges bandes passantes, de faibles
ondulations et d’un bon rejet ont généralement des pertes relativement élevées dans les
bandes utiles. Cela nécessite une amplification supplémentaire, qui attire plus de puissance et
peut introduire des artefacts non linéaires supplémentaires. Plutôt que de faire usage d’un
synthétiseur de fréquence à boucles multiples, la conception opte pour des circuits intégrés de
synthèse basse tension avec un bon bruit de phase pour conserver une taille et un coût
réduits. Ils ont été verrouillés avec un oscillateur à quartz haute fréquence à très faible gigue,
qui est également utilisé en tant qu’horloge ADC, entraînant un bruit de phase décent qui est
suffisamment bon pour des EVM de l’ordre de 1%.
Les performances en termes de SFDR et de bruit de phase sont limitées, en raison des
restrictions de faible puissance propres à un dispositif qui est alimenté par USB 3.0. Les
normes informatiques sont cependant en constante évolution et USB 3.1 promet des débits de
données plus rapides et une puissance supplémentaire dans un avenir proche. Dans
l’intervalle, les instruments de laboratoire tels que les séries RSA5k et RSA6k de Tektronix
ont de meilleures spécifications RF puisque la puissance n’est pas un problème, et sont
contrôlés par le même logiciel et la même interface utilisateur.
Applications les plus courantes
L’avènement de la RF numérique facilite le développement des circuits dédiés à l’IoT
(Internet des objets).
La RF numérique naît de la fusion de la technologie du calcul numérique sous forme de DSP
et de FPGA dans les applications RF traditionnelles. Cela a conduit à une croissance rapide
de nouvelles technologies telles que Bluetooth, Wi-Fi et WiMax, qui ont donné naissance à de
nouveaux produits pour l’utilisateur final.
Ces applications se trouvent souvent dans les mêmes plages du spectre RF, nécessitant des
signaux complexes et variables en fonction du temps, qui utilisent une modulation adaptative,
des techniques de saut de fréquences et de tramage pour éviter les interférences. En raison de
cette variabilité du signal dans le temps, il est maintenant nécessaire, lors des essais de ces
applications RF, de s’intéresser simultanément aux domaines du temps, de la fréquence et de
la modulation.
La RSA306A, portable, léger et doté de riches fonctionnalités, ainsi que des capacités
d’analyse du logiciel SignalVu, peut constituer une solution très économique dans de
nombreuses applications, y compris : la chasse aux interférences - avec une très large bande
passante disponible de 40 MHz couplée avec le DPX temps réel, la cartographie et le
streaming de spectre en direct, le RSA306A peut rapidement isoler et trouver des signaux
transitoires aussi courts que 100 us et facilement identifier les problèmes d’interférences
entre canaux.
Formation - le RSA306A offre aux étudiants et aux enseignants la possibilité de travailler
avec une solution portable à faible coût qui permet l’analyse de domaines multiples (spectre,
temps, fréquence et modulation) en une seule unité, avec un logiciel et du matériel
pédagogique gratuits. L’interaction des paramètres analogiques, numériques et RF peut
facilement être comprise et analysée de manière visuelle, ce qui est idéal pour l’enseignement
et les laboratoires de recherche.
Installation en réseau et maintenance - un analyseur temps réel portable, renforcé, qui tient
dans la main et est alimenté par USB 3.0 permet à l’ingénieur de prendre toutes les mesures
RF sur le terrain et de faire un diagnostic de santé du réseau radio/sans fil. La prise en
charge complète de TETRA, P25 et WLAN permet un diagnostic de panne de réseau rapide et
pratique ainsi que la vérification opérationnelle complète des réseaux radio mobile privés,
des systèmes radio à ressources partagées, ainsi que le déploiement de la maintenance
préventive.
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